KR0171593B1 - 전기 절연체 - Google Patents

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KR0171593B1
KR0171593B1 KR1019920700883A KR920700883A KR0171593B1 KR 0171593 B1 KR0171593 B1 KR 0171593B1 KR 1019920700883 A KR1019920700883 A KR 1019920700883A KR 920700883 A KR920700883 A KR 920700883A KR 0171593 B1 KR0171593 B1 KR 0171593B1
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electrical
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월리암 마우트 도온리 데이비드
미드그레이 존
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안토니 윌리암 제이
레이켐 리미티드
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Abstract

본 발명의 고전압 절연체는 기계적인 강성 부재를 형성하는 폴리머 코어와 전기 절연성이고 트래킹 현성이 없으며 그 외면상에 셰드를 형성하는 관형의 열 수축성 폴리머 외측 덮개를 포함한다.

Description

[발명의 명칭]
전기 절연체
[발명의 분야]
본 발명은 전기 절연체(electrical insulator)에 관한 것으로, 특히 폴리머 재료(polymeric material)로 형성된 절연체에 관한 것이다.
[종래 기술]
전형적으로, 절연체는 폴리머 구성요소를 외측에 추가하거나 또는 추가하지 않은 자기(porcelain) 등의 전기적으로 절연된 재료로 형성된 가늘고 긴 보디이거나, 또는 폴리머 구성요소(polymeric component)에 의해 커버된 유리 섬유(fibre glass)로 형성된다. 각각의 단부에는 금속 부착물(metal fittings)이 장착되어 상승된 전압(elevated voltage)(전형적으로, 1kV보다 높고, 종종 1kV보다 훨씬 높은)의 전기 설비(electrical equipment) 및 접지(earth)에 각각 접속된다. 그의 외면(outer surface)은, 수분이 단부 부착물(end fittings) 사이에 직접적으로 흐르는 것을 방지하고, 또한 연면 경로 길이(creepage path length)를 연장하기 위해 셰드형 및/ 또는 회선형(shedded and/or convoluted)일 수도 있다.
고체 자기 절연체(solid porcelain insulator)의 경우, 셰드형 및/또는 회선형은 자기 코어(procelain core)와 일체로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 균일한 직경의 실린더형 자기봉(cylindrical porcelain rod of uniform diameter)은 그 위에 장착된 셰드형 및/또는 회선형 형태(shedded and/or convoluted configuration)의 폴리머 구성 요소를 포함할 수도 있다. 유리 섬유의 빈약한 전기적 특성 및 수분 흡수 특성(poor electrical and water uptake properties)으로 인해, 절연체 코어(insulator core)가 이러한 재료로부터 만들어지는 경우, 외측 보호 구성요소(outer protective component)가 필요하며, 이것은 셰드형 및/또는 회선형 폴리머 구성요소에 의해 용이하게 제공될 수 있다.
자기는 전통적인 절연 재료로서, 전기적 방전에 의한 손상, 기후 변화 및 화학적인 침해(chemical attack)에 대한 그의 뛰어난 저항력으로 인해 몇몇 응용에 있어서 여전히 바람직한 재료이다. 그러나, 이러한 전통적인 자기는 비교적 무겁고, 충격에 의해 쉽게 파괴될 수 있는 부서지기 쉬운 재료(brittle material)이다. 이러한 점에서, 회선형 또는 셰드형은 특히 손상을 입기 쉽다. 더욱이, 자기는 높은 표면 자유 에너지(high surface free energy)를 가지므로, 이러한 에너지로 인해 자기 표면에는 먼지가 잘 달라붙게 된다. 또한, 자기의 제조 공정은 가마(kiln)내에서 구워내는 공정(firing)을 필요로 하므로, 복잡한 형상의 자기를 제조하기란 쉽지 않았다. 그러나, 자기는 절연체를 제조하는데 저렴한 재료이다.
통상적으로, 폴리머 절연체는 많은 응용에 적합하며, 특히 자기 또는 다른 세라믹 재료(ceramic materials)에 비해 그들의 무게가 가볍고, 예를 들며, 고전압 및 특히 심각한 환경 오염의 불리한 동작 조건과 같은 열악한 조건하에서 오염에 대한 저항력이 강하다는 점으로 인해 널리 성공적으로 사용된다. 더욱이, 폴리머 재료는 기계적인 혹사를 당하더라도 통상 그들의 기계적인 본래의 모습을 유지하며, 복잡한 형상으로 제조하기가 비교적 용이하다.
폴리머 절연체(polymeric insulator)의 일예가 영국 특허 제1292276호에 개시되어 있으며, 유리 섬유봉(glass fibre rod) 또는 관(tube)일 수도 있는 중심 지지체(central support)를 포함하되, 중심 지지체는 각 단부의 금속 부착물과, 지지체의 전체 길이를 연장하여 각각의 단부 부착물을 오버랩하는 열 수축성 비트래킹 폴리머 절연 슬리브로 형성된 외층(무 outer surface layer)을 포함한다.
전기 절연체의 또 다른 유리한 형태는 EP-B-0125884에 개시됨, 자기 절연체와 폴리머 절연체의 혼성물인 절연체를 포함한다. 이 절연체는, 단부상에 금속 접속 부착물들이 장착된 절연체 코어를 형성하기 위해 자기의 구조적인 강도의 장점과, 외측 구성요소를 형성하는 폴리머 재료의 경량성, 성형 가능성 및 기계적(특히, 전단(Vandal)에 대한) 내력의 장점을 결합한 것이다. 이 외측 구성요소는 강력하고 국부적인 전기 활성(intense local electrical activity)으로 인해 단부 위치에서의 폴리머의 열화(degradation)를 방지하기 위해 자기 코어를 따라서 금속 단부 부착물로부터 이격된다.
그러나, 이러한 자기 및 혼성물 절연체는 여전히 자기의 고밀도와 이에 따른 중량과 연관된 문제점을 가지며, 이러한 단점은 유리와 같은 다른 세라믹에도 나타날 수 있다. 한편, 유리 섬유의 절연체 코어는 습기의 칩입에 취약하며, 그것은 유리 섬유가 절연체의 한 단부로부터 다른 단부로 연속적으로 연장되어 있으므로, 절연체의 전체 길이를 따른 심(wicks)이 도전성 경로를 형성하여 동작 능력을 파괴하기 때문이다. 더욱이, 원격 통신 링크, 특히 고주파와 관련된 응용에 있어서, 절연체의 금속 단부 부착물과 이와 연관된 전기 설비 사이의 어떤 기계적인 움직임은 전기적 잡음을 발생시킬 수 있는 간헐적인 접점(intermittent contacts)을 일으킬 수 있다.
[발명의 목적]
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 단점의 일부 또는 전부를 극복하거나, 또는 적어도 경감시킨 전기 절연체를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기적으로 절연성이고, 실질적으로 비트래킹(non-tracking)인 폴리머 재료로 형성된 통상적으로 관형의 형태를 갖는 외측 구성요소와, 실질적으로 동질(homogeneous)이고, 비흡습성(non-hygroscopic)이며, 전기적으로 절연성인, 23℃에서 적어도 약 0.5GPa의 굴곡 계수(Flexural Modulus)를 갖는 폴리머 재료로 형성된 내측 구성요소를 포함하는 전기 절연체가 제공된다.
내측과 외측 구성요소는 별개이며, 외측 구성요소가 내측 성상분상에 장착되는 것이 바람직하다.
따라서, 이러한 본 발명의 실시예에 의하면, 내측 구성요소는 강성 부재(strength member)를 형성하기에 충분히 단단하고 방수성이 있는 기계적인 특성을 갖도록 선택된 폴리머 재료로 이루어지며, 외측 구성요소는 비트래킹이고 기후에 강한 외면을 제공하는 전기적 특성을 갖도록 선택된 폴리머 재료로 이루어지는, 두가지 구성요소의 절연체가 제공된다. 내측 구성요소를 형성하는 재료는 예를 들면, 내측 구성요소에 구멍을 내고 가볍게 두드림으로써 기계적인 힘이 내측 구성요소로, 그리고 내측 구성요소로부터 직접 전달될 수 있으므로, 기존의 절연체에서 요구되는 것과 같은 금속 단부 부착물을 필요로 하지 않는다. 유리섬유 코어(fiberglass core)를 갖는 절연체와는 달리, 이와 같이 구멍을 형성함으로써 파손될 수 있는 연속적인 강화 필라멘트(continuous reinforcing filaments)가 존재하지 않으며, 연속적인 강화 필라멘트의 존재는 수분의 침투 기회를 허용하게 된다. 더우기, 재료의 고유한 특성으로 인해, 통상 단부 부착물에 의해 내측 구성요소의 평평한 단부가 습기 침투에 대비하여 반드시 밀봉되어 있을 필요가 없다.
내측 구성요소에 적합한 재료의 굴곡 계수는 23℃에서 dir 0.5GPa 내지 약 20GPa의 범위내에 있을 수도 있다. 몇몇 재료의 경우, 요구되는 기계적인 강도를 얻기 위해 강화용 충진 재료(reinforcing filler materials)를 추가하는 것이 필요하거나, 또는 바람직할 수도 있으며, 이러한 경우에, 충진 재료는, 예를 들면, 유리일 수도 있는 잘게 절단된 섬유성 재료(chopped fibrous material)를 포함할 수도 있다. 이와 같이 본 발명의 절연체가 유리 섬유를 포함할 수도 있지만, 이들 유리 섬유는 길이가 짧고, 절연체의 한 단부로부터 다른 단부까지 연속적으로 연장되지 않으며, 따라서 절연체의 동질성을 파괴시키지 않으면서, 내측 구성요소 재료에 일정한 방향성이 존재하지 않는다는 것을 이해할 것이다.
일반적으로, 본 발명의 절연체의 형태는 가늘고 긴 형태로서, 실린더형 봉인 내측 구성요소와, 이 내측 구성요소의 전체 외면을 실질적으로 둘러싸서 전기적으로 보호하기 위해 내측 구성요소상에 장착되는 외측 구성요소를 갖는다. 절연체와 이와 연관된 전기 설비간에 이루어지는 접속 방법에 따라서, 수분 또는 다른 습기를 방지하기 위하여 각 단부가 적절하게 밀봉된다면 내측 구성요소의 통상 평평한 단부가 또한 속이 빈 관형 형태로 이루어질 수도 있다.
내측 구성요소의 재료는 반응 사출성형된 폴리우레아(polyurea), 고밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 제네럴 일렉트릭 코포레이션사로부터 구입가능한 폴리스티렌 변성 폴리페닐렌옥 사이드인 NORYL, 폴리에테르에테르케톤, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에테르설폰 및 폴리에테르이미드로부터 선택되는 것이 유리하다. 내측 구성요소의 재료는 약 4 이하의 유전체 상수(유전율)를 갖는 것이 유리한데, 이 값은 자기 유리 또는 유리 섬유에 대한 유전율(5보다 큼) 보다 상당히 적은 값이다. 따라서, 내측 구성요소는 비교적 적은 캐패시턴스를 가질 것이며, 이것은 발생되는 라디오 잡음(ratio noise)량이 적다는 것을 의미한다. 따라서, 이러한 절연체는 라디오 안테나와 함께 사용하기에 특히 적합하다.
괄호안에 제공된 대응하는 봉의 굴곡 계수[23℃에서의 GPa]를 갖는 다음과 같은 재료, 즉 절다된 유리 섬유의 30중량 퍼센트로 충진된 폴리에테르에테르케톤(PEEK)[10], 충진안된 폴리에테르설폰 또는 폴리에테르이미드의 화합물[2.6], 절단된 유리 섬유의 50 또는 30중량 퍼센트로 충진된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)[각기 18.3, 11.3], 충진안된 PET[2.5], 절단된 유리 섬유의 30 중량 퍼센트로 충진된 폴리프로필렌[6.0], 충진안된 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)[2.0], 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)[1.0] 및 반응 사출성형된(reaction injection muoulded : RIM) 폴리우레아[0.5-0.1]는, 본 발명의 절연체의 내측 구성으로서 사용하기에 특히 적합하다. 이러한 WOIFY들은 -40℃ 내지 +80℃의 온도 범위에서 사용하기에 적합하며, 10kV/mm보다 큰 유전체 강도(dielectric strength)와, 낮은 수분 흡습성을 가지며, 수분에 의해 포화되었을 때도 양호한 전기적 강도를 유지한다.
옥외 및/또는 오염된 환경에서 사용하기 위하여, 절연체의 외면은 셰드형 및/또는 회선형 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 GB-A-1530994, 또는 GB-A-1530995, 또는 EP-A-0147978에 개시되어 있는 물품의 형태에서 외측 구성요소, 즉 외측 셰드형 및/또는 회선형 형태를 갖는 속이 빈 물품(hollow article)을 제공함으로써 용이하게 성취 구성요소는 열을 가하지 않고 적용될 수도 있으며, 예를 들며, EP-B-0210807에 개시되어 있는 종류의 물품일 수도 있다는 것을 또한 생각할 수 있다.
한편, 외측 구성요소는 내측 구성요소상의 위치에 성형될 수도 있다.
절연체의 외측 구성요소로서 사용하기에 적합한 열복원성 물품은 부품명 200S으로서 레이켐(Raychem)사로부터 구입할 수 있다. 이들 부품은 모두 기후 변화에 강하며, 자외선, 오존, 염분 및 수분에 양호한 내성을 가지며, 또한 비트래킹으로서, 즉 ASTM D2303 경사면 및 ICE 112의 상대적인 트래킹 지수 사양을 따른다. 외측 구성요소에 적합한 재료의 예가 GB-A-1337951 및 1337952에 개시되어 있다.
GB-A-1530994, GB-A-1530995, 데-A-0147978, EP-B-0210807, GB-A-1337951 및 1337952의 전체적인 개시 내용은 본 명셋에서 참조 포함된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 내측 구성요소, 또는 강성 부재만이 단독으로 셰드형 및/또는 회선형 형태로 형성되고, 외측 구성 요소는 균일한 관형 부재로 형성될 수 있다. 다음으로, 균일한 관형 부재는 내측 구성요소에 실질적으로 적합하도록 그 내측 구성요소상에 장착된다. 이와 같은 적합시키는 것은 외측 부품을, 내측 구성요소상에서 복원되는 실질적으로 균일한 직경과 벽두께를 가지며 복원가능한, 예를 들어 열복원가능한 폴리머 재료의 관으로 형성함으로써 성취될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전기 절연체가 23℃에서 적어도 약 0.5GPa의 굴곡 계수를 갖는, 동질이고, 전기 절연성이며, 실질적으로 비트래킹인 습기 불침투성 폴리머 재료로 완전히 형성될 수도 있을 것으로 생각된다. 따라서, 절연체는 요구되는 기계적, 전기적 특성을 갖는 단일 구성요소로 형성될 수도 있다. 이러한 절연체는 기술된 재료 또는 그의 조합물로부터 형성될 수도 있음을 알게 된다.
이하, 본 발명에 따른 절연체가 첨부된 단면도를 참조하여 설명된다.
제1도를 참조하면, 3kV에서 사용하기에 적합한 250mm 길이의 절연체는 내측 구성요소(2)를 형성하는 가늘고 긴 실린더형 봉과 외측 구성요소(4)를 형성하는 셰드형 관(shedded tube)을 포함한다. 직경 20mm의 내측 구성요소(2)는 각 단부에서 보다 작은 직경에 대해 약간 테이퍼되며, 이 테이퍼는 또한, 열에 의해 내측 구성요소(2)와 적합하도록 복원된 외측 구성요소(4)를 고정하도록 작용한다. 직경이 축소된 단부에서는 직경 10mm의 구멍(6)이 두 구성요소를 통하여 형성되고 탭되어 절연체가 그와 연관된 전기 설비에 직접 부착될 수 있도록 한다. 외측 구성요소(4)는 절연체의 길이 방향을 따라서 교대하는 일련의 보다 큰 직경의 셰드(8)와 일련의 보다 작은 직경 셰드(10)를 가짐으로써, 총 650mm의 연면 거리(creepage distance)를 제공한다.
제2도를 참조하면, 절연체의 내측 폴리머 강도 구성요소(20)만이 일체로 형성된 세드(22)를 갖는 고형 보디(solid body)로 형성된다. 외측 구성요소는 코어 부재(20) 위의 균일한 외측 직경의 속이 빈 열수축성 관(hollow heat-shrinkable tube)(24)을 코어 부재와 적합하도록 수축시킴으로써 제공된다.

Claims (11)

  1. 전기적으로 절연성이며, 실질적으로 비트래킹인 폴리머 재료로 형성된 일반적으로 관형 형태의 외측 구성요소와 ; 실질적으로 동질이고, 비흡습성이고, 전기적으로 절연성이며, 23℃에서 적어도 약 0.5GPa 굴곡 계수(Flexural Modulus)를 갖는 폴리머 재료로 형성된 내측 구성요소를 포함하되, 상기 내측 구성요소의 상기 굴곡 계수는 23℃에서 약 20GPa보다 작은 전기 절연체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내측 구성요소는 상기 외측 구성요소에 대해 기계적인지지 부재(a mechanical support member)로서 작용하는 전기 절연체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내측 구성요소는 고형 부재(a solid member) 또는 관형 부재(a tubular member)인 전기 절연체
  4. 제1항에 있어서, 상기 내측 구성요소의 상기 폴리머 재료는 충진제(a filler)에 의해 강화되는 전기 절연체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 강화 충진제는 절단된 섬유성 재료, 바람직하게는 유리를 포함하는 전기 절연체.
  6. 제1, 4 및 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 구성요소의 재료는, 반응 사출성형된 폴리우레아, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에테르설폰 및 폴리에테르이미드로부터 선택되는 전기 절연체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 내측 구성 요소의 재료는 약 4 이하의 유전율(a dielectrical constant)을 갖도록 선택되는 전기 절연체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 외측 구성 요소의 상기 외면은 셰드형 및/또는 회선형 형태(a shedded and/or convoluted configuration)를 갖는 전기 절연체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 셰드형 및/또는 회선형 형태는 상기 내측 구성 요소의 형태에 의해 제공되는 전기 절연체.
  10. 제1, 2 및 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 구성 요소는 실질적으로 상기 내측 구성 요소를 완전하게 둘러싸는 전기 절연체.
  11. 제1, 2 및 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 구성 요소는 바람직하게는 열에 의해 제 위치로 복원됨으로써 상기 내측 구성 요소 상에 장착되는 전기 절연체.
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